自然风对地下进风方式空冷岛换热的影响

张明智，吴红杰，齐阳阳

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

直接空冷机组是利用环境空气冷却汽轮机排汽的，当环境风速稍大时，容易造成空冷凝汽器的一些空冷单元出现热风回流和“倒灌”[1]现象，从而导致其传热恶化。本文提出采用地下通道进风方式，利用流体力学计算软件，对其进行数值研究，分析不同环境风速对其换热效率的影响。

1 模型的建立及计算方法

1.1 几何模型的建立及网格划分

图1 地下通道进风示意图Fig.1 Schematic diagram of underground passage inlet

以某600 MW直接空冷凝汽器为例，采用地下通道进风设计思路如图1，物理模型如图2。整个空冷凝汽器由7×8个空冷单元组成，上挡风墙高度为10 m，空冷平台下沿距地面8 m，16根钢筋水泥支柱直径均为4 m。根据计算得到的3个地下通道长为100 m，横截面积均为60×30 m，地下风室为100×90×30 m。锅炉房为60×35×90 m;汽机房为60×35×35 m。整个计算区域为600×600×200 m。

图2 地下通道进风直接空冷机组几何模型Fig.2 Geometric model of underground passage inlet direct air cooling unit

利用Gambit软件生成相应的几何模型及计算网格。为减少网格数量，采用分块划分方法，用结构化和非结构化网格进行划分，如图3所示。通过采用不同的网格划分，检验了网格无关性。

图3 计算区域网格划分Fig.3 Meshing of the computational domain

1.2 湍流模型及主控方程

该模拟对象为三维不可压湍流流动过程，所用控制方程[2～3]如下:

连续性方程:

本构方程:

动量方程:

采用标准k-e湍流模式:

能量方程:

式中:v为速度;ρ为空气密度;i，j，k=1，2，3;μ为流体动力粘性系数;p为压力;εij为应变率张量;τij为应力张量。

1.3 边界条件

本模型数值方向为Z轴，在Z轴设定重力加速度。模型下部为壁面，计算区域按环境风的主导风向设置两个速度入口 (velocity-inlet)边界，其余均为压力出口 (pressure-outlet)边界，风机进口处的边界条件设置为风扇 (fan)边界;空冷凝汽器的柱子、空冷岛挡风墙墙体以及地面的边界条件均采用墙壁 (wall)边界。

1.3.1 风速边界的设定

模拟环境进口采用大气边界层函数即迪肯(Deacon)的幂定律[4～8]:

式中:z0为气流达到均匀流时的高度;μ0为z0处来流平均风速;zi为任意高度值;μi为高度处的平均风速;α为地面粗糙系数，地面的粗糙度越大α的值也就越大，文中取0.2[9]。该条件利用自定义边界条件编程加载。

1.3.2 多孔区域边界条件的设定

本模型散热器采用多孔介质[10～12]模型，就是在动量方程中增加一个代表动量的源项来模拟出多孔介质的作用。源项由粘性损失项和惯性损失项组成，公式如下:

式中:sj为动量方程中应附加的源项;μ为粘性系数;vj为j方向的速度;vmag为速度大小;1/α为粘性阻力系数;C2为惯性阻力系数。

根据实际测试的翅片阻力特性数据拟合得到阻力压降与散热器法向速度之间的关系:

考虑到空冷单元模型通流面积约为实际凝汽器迎风面积的一半，多孔介质模型厚度为10 m，得到散热器模型单位长度阻力压降与速度之间的关系式为:

由式 (8)和式 (10)可求得多孔介质模型通流方向的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为35 179和0.313。

2 计算结果及分析

2.1 换热量及换热效率

以某600 MW直接空冷机组为例，如下计算条件为:在额定工况下，当环境温度33℃，环境压力97.4 kPa时，机组56个空冷单元的排汽热量为785 MW，每个空冷单元热负荷为14.02 MW，风机风量437 m3/s。

空冷凝汽器换热效率定义为实际换热量Qr除以机组的排热量Q所得到的无量纲数，空冷凝汽器换热效率的计算公式如下:

其中，空冷岛实际换热量[13]的计算公式如下:

式中:Qr为56个空冷凝汽器吸热量，MW;Di为空冷凝汽器空气流量，kg/s;Δti为凝汽器空气进出口温差，℃;Cp为空气定压比热容，J/(g·℃);η为空冷凝汽器换热效率。

2.2 地下进风方式外部流场温度分布

该机组俯视图如图4，图中箭头方向为全年主导风向。

图4 空冷岛风向示意图Fig.4 Schematic diagram of the prevailing wind direction

环境风速0 m/s时，散热器上方热气呈羽流状，温度等值线如图5。环境风速为3 m/s时，热气随风扩散，温度等值线如图6。环境风速为5 m/s时，羽流状继续被破坏，热气随风扩散，但没有如地上进风的热风回流，温度等值线如图7。环境风速7 m/s以后，热气被风吹向更远方向，但没有如地上进风的“倒灌”，温度等值线如图8。

图5 温度等值线图(v=0 m/s)Fig.5 Temperature contour map(v=0 m/s)

图6 温度等值线图(v=3 m/s)Fig.6 Temperature contour map(v=3 m/s)

图7 温度等值线图(v=5 m/s)Fig.7 Temperature contour map(v=5 m/s)

图8 温度等值线图(v=7 m/s)Fig.8 Temperature contour map(v=7 m/s)

2.3 两种进风方式下通风量比较

在主导风向下，研究环境风速分别为0，3 m/s，5 m/s，7 m/s，9 m/s，12 m/s对空冷凝汽器通风量的影响。两种不同进风方式的通风量如图9所示。

图9 两种进风方式下风机风量的变化Fig.9 Fan flow changes in the two air intake mode

可以看出，当风速在0～1 m情况下，地上进风方式大于地下进风方式的风量，这是因为地下进风方式有风道流动阻力导致;之后随着环境风速的增大，两种进风方式总通风量的差别也随之增大。当风速超5 m/s时，地下进风方式的通风量随风速的增加而增大，这是因为在主导风向下(如图4)，2，3号风道的进风增加量大于1号风道的进风减小量;而地上进风的迎风面前两排空冷单元出现局部热风回流，导致通风量有所减少如图10～11。当环境风速超过7 m/s，地上进风的通风量急剧下降，“倒灌”成为影响通风量和换热效率的主导因素，而地下进风方式依然平稳，没有上述情况发生，如图12～13。当环境风速12 m/s时，地下进风通风量比地上进风多14 198 kg/s;经计算，地下进风量比地上进风平均提高52.57%

图10 空气流量图 (v=5 m/s，地下通道进风)Fig.10 Air flow of underground passage inlet v=5 m/s

图11 空气流量图 (v=5 m/s，45m标高)Fig.11 Air flow of 45 m elevation v=5 m/s

图12 空气流量图 (v=7 m/s，地下通道进风)Fig.12 Air flow of underground passage inlet v=7 m/s

2.4 两种进风方式下凝汽器换热效率的比较

两种进风方式下凝汽器换热效率随风速变化情况如图14所示。可以看出，地上进风方式空冷凝汽器换热效率随风速的增加逐渐降低[14～15];而地下进风方式受环境风速影响不大，且换热效率一直很高，平均换热效率为71.74%，平均比地上进风高24.4%。

图13 空气流量图 (v=7 m/s，45m标高)Fig.13 Air flow of 45 m elevation v=7 m/s

图14 两种进风方式下平均换热效率的比较Fig.14 Average heat transfer in the two air intake mode

3 结论

针对直接空冷机组存在的问题，提出了采用地下进风的方式。模拟结果表明:

(1)空冷凝汽器外部流场受环境风变化的影响很小，不存在回流和倒灌，且风机通风量较稳定，比地上进风平均提高52.57%。

(2)地下风室空气流场稳定，整体换热效率平均提高24.4%。

(3)因地下进风方式是首次提出，并无设计借鉴，可能地下挖土方工程投资较大，尚需进行技术经济性分析。

[1]周兰欣，李建波，李卫华，等.600 MW机组空冷岛外部流场的数值模拟与结构优化[J].中国电机工程学报，2009，29(17):38-42 Zhou Lanxin，Li Jianbo，Li Weihua，et al.Numerical simulation of the external flow field and structure optimiza-tion for air-cooled island of a 600 MW unit[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(17):38-42.

[2]周兰欣，白中华，张淑侠，等.空冷平台外部流场的数值模拟[J].动力工程，2008，28(3):386-389.Zhou Lanxin，Bai Zhonghua，Zhang Shuxia，et al.Numerical simulation of exterior flow field on air-cooled platform[J].Power Engineering， 2008， 28(3):386-389.

[3]周兰欣，崔皓程，魏春枝.空冷平台间距对空冷凝汽器换热效率的影响[J].动力工程，2009，29(8):765-768.Zhou Lanxin，Cui Haocheng，Wei Chunzhi.Effects of platform pitch on heat exchange efficiency of air-cooled condenser[J].Power Engineering，2009，29(8):765-768.

[4]杨建国，刘达，张兆营，等.加装导流网以改善横向风对直接空冷凝汽器的影响[J].中国电机工程学报.2012，32(2):1-8.Yang Jianguo，Liu Da，Zhang Zhaoying，et al.Effects of using wind guiding nets to improve prevailing ambient wind on direct air-cooled condensers[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(2):1-8.

[5]张学镭，王金平，陈海平.环境风影响下直接空冷机组排汽压力的计算模型[J].中国电机工程学报，2012，32(23):40-47.Zhang Xuelei，Wang Jinping，Chen Haiping.A calculation model of exhaust pressure of direct air-cooled units considering the effect of environmental wind[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(23):40-47.

[6]周兰欣，白中华，李卫华.直接空冷机组空冷岛结构优化研究[J].汽轮机技术，2008，50(2):95-97.Zhou Lanxin，Bai Zhonghua，Li Weihua.Optimization study on structure of air cooling platform of direct air cooling units[J].Turbine Technology，2008，50(2):95-97.

[7]Gao X F，Zhang C W，Wei J J，et al.Performance prediction of an improved air-cooled steam condenser with deflector under strong wind[J].Applied Thermal Engineering，2010，30(17):2663-2669.

[8]张遐龄，杨旭，李向群，等.火电厂空冷平台换热的数值模拟[J].水动力研究与进展，2005，20(21):874-880.Zhang Xialing，Yang Xu，Li Xiangqun，et al.Numerical simulation to heat exchange of direct air-cooled condenser in power plants[J].Journal of Hydrodynamics，2005，20(21):874-880.

[9]邓冰，李欣，陶文铨.多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用[J].工程热物理学报，2004，25(增刊):167-169.Deng Bing，Li Xin，Tao Wenquan.Application of porous media and distributed resistance mode in numerical simulation of shell-and-tube heat exchanges[J].Journal of Engineering Thermophysics， 2004， 25 (Sup):167-169.

[10]贾宝荣，杨立军，杜小泽.不同风向条件下空冷岛运行特性的数值模拟[J].现代电力，2009，26(3):71-75.Jia Baorong，Yang Lijun，Du Xiaoze.Numerical simulation of operation performance of direct air-cooled system in difference wind directions[J].Modern Electric Power，2009，26(3):71-75.

[11]周文平，唐胜利.空冷凝汽器单元流场的耦合计算[J].动力工程，2007，27(5):766-770.Zhou Wenping，Tang Shengli.Coupled flow-field calculation of a direct air-cooled condensers component unit[J].Power Engineering，2007，27(5):766-770.

[12]Yang L J，Du X Z，Yang Y P.Influences of windbreak wall configurations upon flow and heat transfer characteristics of air-cooled condensers in a power plant[J].International Journal of Thermal Sciences，2011，50(10):2050-2061.

[13]周兰欣，周书昌，李海宏，等.自然风速对空冷机组风机运行影响的数值模拟[J].电力科学与工程，2011，27(1):44-48.Zhou Lanxin，Zhou Shuchang，Li Haihong，et al.Numerical simulation on effects of natureal wind velocity for fan operations of direct air cooling unit[J].Electric PowerScienceandEngineering， 2011， 27(1):44-48.

[14]付万兵.直接空冷凝汽器单元内三维流场的数值模拟[J].电力科学与工程，2013，29(1):63-68.Fu Wanbing.Numerical analysis of 3-D flow characteristics of direct air cooled condensers[J].Electric Power Science and Engineering，2013，29(1):63-68.

[15]孔珑，杜广生，赵兰水.流体力学[M].北京:高等教育出版社，2003.

[16]周兰欣，杨靖，杨祥良.300 MW直接空冷机组变工况特性[J].中国电机工程学报，2007，27(17):78-82.Zhou Lanxin，Yang Jing，Yang Xiangliang.Study on variable condition features for 300 MW direct air-cooling unit[J].Proceedings of the CSEE，2007，27(17):78-82.

[17]何纬峰，戴义平，马庆忠.环境风对空冷单元运行性能影响的数值研究[J].中国电机工程学报，2011，31(20):13-18.He Weifeng，Dai Yiping，Ma Qingzhong.Numerical study on the performance of an air-cooled condenser cell under wind Influence[J].Proceedings of the CSEE，2011，31(20):13-18.